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Einrichtung zur Gewichts-, Kraft-oder Druckmessung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewichts-, Kraft- oder Druckmessung mittels einer oder mehreren Messdosen, deren jede ein oder mehrere deformationsempfindliche auf einem durch die zu messende Kraft od. dgl. deformierbaren Träger angeordnete Impedanzelemente enthält, auf Grund deren jede vorhandene Messdose eine von der einwirkenden Kraft od. dgl. abhängige Spannung bzw. einen von der einwirkenden Kraft od. dgl. abhängigen Widerstand liefert, die bzw. der mittels eines an die Messdose angeschlossenen Kompensators bzw. eines Kompensographen durch Verstellen eines Regelgliedes kompensierbar ist, wobei die Verstellung desselben ein Mass für die zu messende Kraft od. dgl. ist.
Im allgemeinen erfolgt die stufenlose Regelung einer Spannung bzw. eines Widerstandes durch Verstellen des Schleifkontaktes eines Potentiometers. Derartige Potentiometer finden auch als Regelglieder in Kompensatoren und Kompensographen in Einrichtungen zur elektronischen Gewichts-, Kraft- und
Druckmessung Anwendung.
Die mit Schleifkontakten ausgestatteten Potentiometer bringen besonders in jenen Fällen erhebliche Nachteile mit sich, in denen eine Eichung der Schleifkontaktstellung in den Einheiten der zu messenden Grösse erforderlich ist :
1. Die strenge Linearität des Potentiometers als Vorbedingung der Messgenauigkeit setzt eine präzise und daher kostspielige Herstellung der Potentiometerwicklung voraus.
2. Zufolge ungleicher Inanspruchnahme der Potentiometerwicklung wird diese ungleichmässig abgenutzt, was zu Abweichungen von der Linearität und zur Verminderung der Messgenauigkeit führt.
3. Bei industriellen Instrumenten ist ein häufiges chemisches und mechanisches Reinigen des Potentiometers erforderlich.
4. Das verbrauchte Schleifkontaktmaterial muss regelmässig ersetzt werden.
5. Infolge seines unzuverlässigen Funktionierens stellt der Schleifkontakt den schwächsten Punkt der gesamten Einrichtung dar.
6. In elektronischen Gewichts-, Kraft- oder Druckmessungen werden gewöhnlich Messdosen mit Dehnungsmessstreifen als Messelemente benutzt. Unter dem Einfluss anhaltender statischer Belastungen, wie sie z. B. beim Gebrauch von Bunker-Messvorrichtungen auftreten, kann es vorkommen, dass der Messstreifen auf der Oberfläche des Tragkörpers ein wenig von der Stelle kriecht ; dadurch wird der Messfehler infolge einer laufenden Verminderung des Ablesungswertes auf der Kompensographskala mit der Zeit immer grösser. In keinem der gewöhnlichen Kompensographen ist für die Korrektion dieses Fehlers gesorgt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung beseitigt alle diese Mängel und bietet ausserdem eine Anzahl von Vorteilen.
Erfindungsgemäss ist als Regelglied des Kompensators in Übereinstimmung mit dem im Messkörper der Messdose vorgesehenen deformierbaren Träger mit einem oder mehreren deformationsempfindlichen Impedanzelementen gleichfalls ein solcher vorgesehen, wobei dieses Regelglied des Kompensators und
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der Messkörper der Messdose die gleiche Temperaturcharakteristik aufweisen und in einem Raum gleicher Temperatur angeordnet sind.
Im Gegensatz zu den beiden bekannten Einrichtungen enthält die erfindungsgemässe Einrichtung keinerlei Bestandteile, die durch Abnutzung oder Verbrauch zu einer Verminderung der Messgenauigkeit führen könnten. Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil, der besonders bei industriellen Instrumenten (Kompensograph, automatischer Kompensator usw. ) zur Geltung kommt, besteht darin, dass das Gerät keiner Instandhaltung bedarf.
Der bedeutendste Vorteil der Einrichtung besteht aber darin, dass bei der Erzeugung regelbarer Spannungen oder Widerstande auf den Gebrauch eines Schleifkontaktes verzichtet wird, infolgedessen die Möglichkeit einer Unterbrechung des Stromkreises durch unsichere Kontaktgabe ausgeschaltet und so die Gefahr einer Verminderung der Messgenauigkeit beseitigt ist.
In der elektronischen Kraft-, Gewicht- und Druckmessung verwendet man für gewöhnlich eine Messdose mit Dehnungsmessstreifen, in die ein Messkörper eingebaut ist ; dieser erleidet in Abhängigkeit der auf ihn einwirkenden Kraft eine gewisse Deformation, die vom Messstreifen in eine elektrische Grösse umgewandelt wird. Die temperaturabhängigen Änderungen im Elastizitätsmodul des Messkörpermaterials führen zu Messfehlern, die durch den Einbau von elektrischen Stromkreiselementen bis zu einem gewissen Grad vermindert, aber nicht völlig beseitigt werden können. Mit der erfindungsgemässen Einrichtung werden diese Messfehler vermieden.
Dadurch, dass in der Messdose und im Kompensator deformierbare Träger gleichen Materials verwendet werden und sich diese auf gleicher Temperatur befinden, wirken sich Temperaturänderungen an der Messdose und am Kompensator in der gleichen Weise aus, so dass sich auch die hiedurch bedingten Änderungen der elektrischen Grösse kompensieren.
Beim Gebrauch von Messstreifen für den Zweck von Gewichts-, Kraft- und Druckmessungen hat man es immer als sehr störend empfunden, dass unter dem Einfluss einer dauernden statischen Belastung die Messdose auf der Oberfläche des Messkörpers gegen die Ruhelage zu ins Kriechen gerät. Die Folge davon war ein mit der Zeit immer mehr zunehmender Messfehler. Solange die von der Messdose gelieferte Grösse mit den üblichen Kompensator- oder Kompensograph-Typen gemessen wurde, ergab sich aus dieser störenden Erscheinung bei lang anhaltenden Untersuchungen ein bedenklicher Unsicherheitsfaktor.
Dieser Nachteil der bekannten Einrichtungen wird vermieden, wenn nach einer vorteilhaften Wei- terbildung als deformationsempfindliche Impedanzelemente Dehnungsmessstreifen vorgesehen sind, wobei zur Kompensation der Kriechfehler die relativen Deformationen der in der Messdose eingebaute Dehnungsmessstreifen und jener des Kompensators miteinander übereinstimmen oder ein ganzzahliges Vielfaches voneinander bilden. Die Messstreifen kriechen innerhalb der Dose und des Kompensatorstromkreises im gleichen Ausmass, die beiden Wirkungen heben einander auf und der durch das Kriechen entstehende Fehler ist behoben.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist hinsichtlich der Genauigkeit und der Dauerstabilität den bisher bekannten Typen unvergleichbar überlegen, da sie jeden Fehler mit Sicherheit unterbindet, der mit der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls im Verhalten des Messkörpers und mit dem Kriechen des Messstreifens zusammenhängt.
Als deformationsempfindliches Impedanzelement können Dehnungsmessstreifen, Widerstandsdrähte, induktive, kapazitive, piezoelektrische, magnetoelastische, photoelektrische oder sonstige elektromechanische Geber vorgesehen werden.
Die Impedanzelemente können sowohl in der Messdose als auch im Kompensator bzw. im Kompensographen in je einer Brückenschaltung angeordnet sein, die an gesonderte Spannungsquellen angeschlossen sind, wobei die Ausgangsspannungen beider Brücken in Kompensionsschaltung gegeneinander geschaltet sind und die Kompensierung durch Deformierung bzw. Verstellung des Trägers der im Kompensator angeordneten Impedanzelemente von Hand oder durch einen Motor herbeiführbar ist.
Die Zeichnungen veranschaulichen einige beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung. Die Fig. l, 2a und 2b zeigen Prinzipschaltschemata und die Fig. 3-8 Ausführungsbeispiele von Regelgliedern.
Die Fig. l und 2a zeigen einen Brücken- und einen Halbbrückenstromkreis, welche aus einem oder aus mehreren deformationsempfindlichen Impedanzen (z. B. Rj, R . Rg und R4 bzw. Rl und R) in Verbindung mit einem Tragkörper, der die mechanische Deformation erleidet, bestehen.
Der Brückenstromkreis gemäss Fig. l wird mit einer Eingangsspannung Uein gespeist. Solange
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2a dargestellte Halbbrücken-oder Potentiometerstromkreiskontakt. Der Spannungsabgriff erfolgt allein durch Änderungen der deformationsempfindlichen Impedanzen R1 und R.
Mit den dargestellten Brücken- oder Halbbrückenstromkreisen wird die gewünschte Spannungs- oder
Widerstandsänderung dadurch herbeigeführt, dass z. B. eine Profilscheibe, eine Schraube oder ein Gleitgewicht usw. auf den Tragkörper einwirkt und diesen einer Deformation unterwirft, wodurch die Änderung in den Werten der deformationsabhängigen Impedanzen eintritt. Die Lage oder die Winkellage des deformierenden Organs steuert ein Zeigerwerk oder ein Registrierwerk, an welchem die Spannung oder die Widerstandsänderung ablesbar ist. Durch die Deformation des Tragkörpers erscheint z.
B. an den Ausgangsklemmen der in Fig. l dargestellten Brücke eine Spannung U Bei der Schaltung nach Fig. 2a sind die veränderten Widerstandswerte zwischen den Halbbrückenpunkten AB und BC R 1 + AR bzw. R1 - A R.
Als deformationsabhängige Impedanz kann ein allgemein bekannter Messstreifen vorgesehen sein, in welchem ein sehr dünner Draht seinen Widerstand in Abhängigkeit vom Deformationsgrad ändert. Man klebt den Messstreifen an den Tragkörper, worauf seine Deformation, die im Sinne einer beliebig gewählten Funktion erfolgt, eine Änderung in der Ausgangsspannung der Brücke oder im Widerstandsverhältnis der Halbbrückenzweige hervorruft.
In den Fig. 3-8 sind einige Ausführungsbeispiele von Regelgliedern mit Dehnungsmessstreifen dargestellt, an deren Stelle selbstverständlich auch jeder andere elektromechanische Geber treten kann.
Die Fig. 3, 4 und 5 stellen eine Ausführung mit Freiträgerbalken dar, wobei die Fig. 3 eine Seitenansicht und die Fig. 4 und 5 je einen Schnitt entlang der in Fig. 3 gezeichneten Linie A-A zeigen. An den Freiträgerbalken sind die Dehnungsmessstreifen RI, RZ'R, und R4 in voller Brückenschaltung gemäss Fig.4 bzw. die Dehnungsmessstreifen R1 und R in Halbbrückenschaltung gemäss Fig. 5 angeklebt. Die volle Brückenschaltung ist im Sinne der Fig. l, die halbe Brückenschaltung im Sinne der Fig. 2 hergestellt.
Wenn bei voller Brückenschaltung eine Kraft P auf das freie Ende des Trägerbalkens 1 wirkt und diese eine Deformation f erleidet, so nehmen die an die obere Balkenfläche angeklebten Messstreifen R1 und Rs in der Länge und folglich auch im Wert ihres Widerstandes zu, während der Widerstand der Messstreifen R und R4 an der unteren Balkenfläche auf Werte sinken, die kleiner sind als die Werte des Ruhezustandes. Infolgedessen tritt an den Brückenausgangspunkten gemäss Fig. l entsprechend den Werten P oder f eine Spannung Uaus auf, vorausgesetzt, dass eine gleichbleibende Eingangsspannung Uein verwendet wurde.
Wenn bei einer in Fig. 5 dargestellten Anordnung die Messstreifen Rl und R2 einen Stromkreis gemäss Fig. 2a ergeben und die Profilscheibe 2 eine Deformation am freien Ende 1 des Balkens hervorruft, so entstehen Änderungen im Widerstandsverhältnis zwischen den Punkten A-B und B-C im Sinne der gleichen beliebig wählbaren Funktionszusammenhänge wie oben.
Eine andere Ausführungsart ist in den Fig. 6, 6a dargestellt. Fig. 6 zeigt einen Schnitt gemäss der Li-
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mässigsten in der Mitte des Balkens angeklebt, also an jenen Teil, der der grössten Kraftwirkung ausgesetzt ist.
Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführung mit gebogenem Freiträger, wobei die Deformation am freien Ende mit einer Schraube 4 vorgenommen wird. Die Dehnungsmessstreifen befinden sich auf der Trägerfläche in der gleichen Lage wie in Fig. 4 oder 5.
Schliesslich ist in Fig. 8 eine Ringanordnung dargestellt, abermals mit einer Schraube 4 als Erzeuger der Trägerdeformation. Um den vollen Brückenstromkreis gemäss Fig. l herzustellen, sind die Dehnungsmessstreifen Rl'R3 auf die Aussenfläche und die Messstreifen R, R auf die Innenfläche
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Ausser den dargestellten Beispielen sind zahlreiche weitere Ausführungsformen möglich, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu fallen.
Der die Deformation herbeiführende Bauteil (z. B. die Profilscheibe 2 oder die Schraube 4) kann entweder mit der Hand oder-wie z. B. in Kompensographen - mittels eines Servo-Motors verstellt werden.